双馈异步风力发电机电刷滑环系统状态监测与故障诊断CTT课案.ppt

双馈异步风力发电机电刷滑环系统状态监测与故障诊断研究 马宏忠 目录 一 绪论 双馈异步发电机电刷滑环系统三维温度场研究 振动法在双馈异步发电机滑环面划痕故障诊断中的研究 基于HHT的双馈异步发电机滑环烧伤故障诊断研究 总结 二 三 四 五 1. 绪论 双馈异步发电机电刷滑环系统结构与功能简介 结构： 运行示意图 实物模型图 主要功能： 电刷滑环系统故障后果 双馈异步风力发电机电刷滑环系统 用于发电机励磁 用于功率传递 发电机次同步运行时，转子变频器通过电缆、刷架、电刷及滑环将频率、幅值时刻变化的三相电流引入到转子绕组进行励磁。 发电机超同步运行时，电刷滑环系统将三相转子电流引出至转子变频器实现功率信号的传递。 刷滑环状态监测与故障诊断意义 及时发现故障并进行排除，最大限度降低损失，提高工作效率。 本课题的监测与诊断方法（☆） 2. 刷环系统接触不良三维温度场研究 2. 刷环系统三维温度场研究 电刷滑环系统温度场建模与仿真 温度场 数学模型 物理模型 求解域模型 建立三维温度场数学模型和求解域物理模型 数学模型 在笛卡尔坐标系下求解域内三维非稳态导热的偏微分方程及其边界条件为 式中：T为物体温度；T0为边界上已知温度分布；Te为周围介质温度；kx、ky、kz分别为物体在x、y、z方向上的导热系数；r0为材料密度；c为材料比热；q为热源密度；q0为通过边界面S2的热流密度；n为边界法向量；a为对流散热系数。 求解域物理模型及网格划分 1—引线；2—#1电刷； 3—#2电刷；4—滑环；5—绝缘套管；6—#3电刷； 求解域物理模的网格划分图 电刷滑环系统正常与故障运行状态下热、电场分布 正常 故障 30A 30A 5A 55A 3. 振动法在刷环系统故障诊断中的应用 故障类型 电蚀、凹坑 划痕等 3. 振动法在刷环系统故障诊断中的应用 电刷滑环系统运行试验平台搭建 硬件准备 平台搭建 振动传感器安装 信号采集模块 振动信号测取 小波包分解 小波重构 小波包能量谱 实验平台结构和原理 本实验平台在河海大学电工实验室搭建，由1.1kW三相异步电动机、调压器、变压器、电刷滑环装置、电机工作台、多通道数字采集仪、传感器等组成。左图是电刷滑环系统振动法实验的现场装置图，右图是电刷滑环系统实验装置原理图。 振动信号采集系统 左图为振动传感器安装部位示意图；右图为信号采集系统组成部分：左上为数字信号采集仪、右上为直流电压源、下图为PC处理机。 正常运行时振动信号 滑环划痕故障时振动信号时域谱 振动信号处理 正常及划痕故障运行时振动信号经小波包分解、重构、小波包能量谱处理后，得出其频段能量分布对比图。 电刷-滑环故障振动信号3、4、7、8频段占总能量的百分比较正常振动信号明显增加，这四个频带分别对应的频率范围为：625-937.5Hz、1875-2187.5Hz、1562.5-1875Hz、4687.5-5000Hz，由此可以判断这四个频率段出现异常振动信号，即此四个频带为滑环面划痕故障频率带。 4. 基于HHT的滑环面烧伤故障诊断研究 电刷滑环电阻分析 滑环运行电阻分析 运行电阻对流经电刷电流的影响 仿真分析与计算 故障前、后的运行电阻建模 仿真计算 故障前后励磁电流HHT对比分析 实验验证 搭建实验平台并测取数据 对励磁电流进行HHT变换 对比分析故障前后结果验证理论正确性 完成诊断 找出故障特征量 定义故障严重程度 完成故障诊断 电刷-滑环电阻分析 正常运行时： （a）滑环动态电阻示意图 （b）等效电路图 图4-1 滑环动态电阻示意图及其等效电路图 滑环引线触头与滑环内环相连，固定在滑环上，由于引线触头到电刷触头的圆周距离时刻发生变化，故滑环电阻也成周期性变化，其变化频率与滑环转速同步。定义滑环旋转运行时的环圈动态周期变化电阻为滑环运行电阻。 可推导出滑环运行电阻的计算公式为： 由滑环运行电阻的表达式可以看出，在0-1/f时间范围内，滑环电阻是呈开口向下的抛物线形状，t取0和1/f时，滑环电阻最小，其值近似为零，此时电刷滑环接触点和引线触头重合；t取1/2f时，滑环电阻最大，其值环圈电阻的1/4，此时接触点和引线触头分别位于滑环直径的两端点。此后时间里，滑环动态电阻就以该抛物线形式做周期性变化，变化频率同滑环转动频率相等。 电刷-滑环运行电阻值变化谱图 滑环正常情况运行时电刷滑环总电阻时域谱 环面烧伤故障运行 滑环烧伤故障模拟示意图 滑环烧伤故障状态下电刷滑环总电阻时域谱 运行电阻对流经电刷电流的影响 正常运行时，励磁电流表达式： 故障运行时，励磁电流表达式： 对比两式不难发现，滑环烧伤